表面热处理及化学热处理

表面工程第三章表面热处理及化学热处理2/2/20231主要内容3.1表面热处理3.2化学热处理2/2/202323.1表面热处理定义：仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺。2/2/202333.1.1表面淬火技术的原理和特点一、表面淬火技术的定义与分类（1）定义：采用特定热源将钢铁材料表面快速加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）之上，快速冷却，发生马氏体相变，形成表面强化层的工艺，称表面淬火技术。（2）分类：根据热源不同，可分为：感应加热火焰加热激光加热电子束加热2/2/20234（3）适用范围碳含量在0.35%—1.20%的中、高碳钢；基体相当于中碳钢的普通灰铁、球铁、可锻铸铁、合金铸铁；中碳钢与球铁最适合。2/2/20235中碳钢最适合表面淬火的原因中碳钢经预先热处理（正火或调质）后进行表面淬火，不但心部有较高综合力学性能，且表面有较高硬度和耐磨性；高碳钢表面淬火后，表面硬度和耐磨性虽高，但心部塑性与韧性较低；低碳钢表面强化效果不显著。2/2/20236二、表面淬火技术与常规淬火技术的区别加热速度高，钢的相变点温度大幅度提高；快速加热，奥氏体晶粒及亚结构显著细化；加热速度很高时，钢产生无扩散奥氏体相变；冷却速度比整体淬火快，硬度比普通淬火高；热源能量密度越高，加热速度越快，硬度越高。快速加热，渗碳体难以充分溶解，奥氏体成分不均匀，显微硬度不均匀；常需预先热处理，使碳化物或自由铁素体均匀、细小分布。2/2/20237三、表面淬火层的组织与性能1、组织沿试样横截面分三个区：淬硬区、过渡区、心部（1）淬硬区：全部马氏体（2）过渡区：马氏体+自由铁素体（3）心部：原始组织2/2/202382、表面淬火层的性能硬度比普通淬火工艺高2-5HRC；耐磨性比普通淬火好；提高轴类零件的疲劳强度；缺口敏感性下降。2/2/20239（1）原理：工件放在有足够功律的输出的感应线圈中，在高频交流磁场作用下，产生很大感应电流，由于集肤效应而集中分布于工件表面，使受热区迅速加热到钢的相变临界温度之上，然后在冷却介质中快速冷却，使工件表层获得马氏体。

3.1.1感应加热表面热处理2/2/202310高频(200~300KHz),δ=0.5~2mm中频(2500~8000Hz),δ=2~5mm工频(50Hz),δ=10~15mm碳钢：钢中电流透入深度的计算简化公式：式中，f为电流频率。2/2/202311①过热度大②细小隐晶M组织，高2～3HRC③表层存在很大的残余压应力④无氧化、脱碳，工件变形很小⑤易于实现机械化与自动化(2)适用的钢种中碳钢和中碳低合金钢，例：45、40Cr、40MnB先正火或调质→心部综合性能好，表面硬（＞50HRC）(3)特点最大尺寸的马氏体片小到光学显微镜无法分辨时，称为隐晶马氏体。2/2/202312缺点：①设备较贵；②易产生尖角效应——尖角棱边过热；③形状复杂零件处理困难。2/2/202313感应加热表面淬火实物及示意图2/2/2023143.1.2火焰加热表面热处理火焰加热表面淬火示意图原理：将高温火焰或燃烧着的炽热气体喷向工件表面，使其迅速加热到淬火温度，然后在淬火介质中冷却。2/2/202315优点：

设备简单，成本低，方法灵活，简便易行。缺点：

生产率低，易过热，质量难控制，不均匀。应用：

适于单件、小批量及大型零件局部表面淬火。燃料：乙炔-氧或煤气-氧2/2/202316激光器冷水机组数控加工机床总控制台3.1.3激光表面热处理激光加工系统设备组成2/2/202317(1)定义：激光快速扫描工件表面，表面薄层急剧升温到相变点以上，激光移开后，高温薄层在基底冷却下，进行自冷淬火，从而产生相变硬化。2/2/202318（2）影响淬硬层的主要因素材料成分：淬硬性和淬透性——深度、硬度。如：钢—含碳量增加—马氏体含量增加—硬度高。工艺参数：淬火层宽度—光斑直径D淬硬层深度——功率P、光斑直径D、扫描速度V表面预处理状态：a、表面组织准备—细化b、表面黑化处理—通过对激光的吸收率

2/2/202319①生产率高②变形很小，局部表面③过热度大(50~200℃)，硬度高④无介质、无污染⑤不接触、光能照到就能淬火⑥易于自动化（3）特点：2/2/2023202/2/2023212/2/202322碳钢：20、35、40、45、T10、T12合金结构钢：40Cr、30CrMnSiA、40CrNiMoA、38CrNi3MoV合金工具钢：GCr15、9SiCr，9CrWMn、CrWMn，4Cr5MoV1Si、W302， W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V、M42、W9Mo3Cr4V、R18、R6M5K5不锈钢：2Cr13铸铁：HT200、HT300、QT400-17、QT600-2硬质合金：YG8、YG20钛合金：TC4，铝合金：激光相变硬化已研究的材料2/2/202323火车缸套轧辊（4）激光相变硬化应用2/2/202324柴油机缸套淬火激光相变硬化应用2/2/202325抽油泵筒激光相变硬化应用2/2/202326激光硬化区的表面形貌2/2/202327激光硬化区的横截面及深度2/2/202328激光相变区的金相组织2/2/202329硬化层的重叠2/2/202330搭接区的金相组织2/2/202331（1）定义：将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使介质中的一种或几种元素原子渗入工件表面，以改变钢件表层化学成分和组织的热处理工艺。渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铝（2）目的：提高耐磨性、耐蚀性、抗氧化性以及疲劳强度等。渗层的组织类型：固溶体、化合物3.2化学热处理2/2/202332（4）三个基本过程①介质的分解：形成活性原子；②表面吸收和溶解：形成固溶体或化合物；③原子扩散：形成一定的扩散层。（3）方法气体法：应用最广液体法：熔融液体，热浸锌固体法：粉末、膏剂，渗硼等离子法：低真空中辉光放电产生的离子轰击表面2/2/202333（1）渗碳：活性碳原子［C］渗入钢的表层。（2）目的：增加表面C含量，淬火＋低温回火，表面硬，心部韧

（3）渗碳方法：气体、固体和液体渗碳（4）适合的钢种：低碳钢和低碳合金钢，如20、20Cr、20CrMnTi等3.2.1渗碳2/2/202334（5）工艺：

900~950℃，1h,0.5mm；4h,1mm渗碳层厚度：从表面到过渡层的一半处，0.5~2.5mm（6）热处理：淬火（直接、一次和二次）＋低温回火（7）组织与性能:表层：高碳回火M＋碳化物＋A’心部：低碳回火M或F、T性能：表面硬度高，58HRC~64HRC；耐磨性好；心部韧性好，硬度较低，疲劳强度高、表面压应力2/2/202335问题：缓冷组织？P+碳化物、P、P+F，原始组织。渗碳后的热处理示意图

2/2/202336气体渗碳炉2/2/202337低碳钢缓冷后的显微组织2/2/2023382/2/202339（3）工艺：气体渗氮2NH3→3H2+2[N]200℃以上3.2.2渗氮（1）氮化：在一定温度下使活性氮原子［N］渗入工件表面。（2）目的：提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等2/2/202340（4）特点：①氮化温度低500~600℃②时间长20~50h，厚度0.3~0.5mm催化剂（苯、苯胺、氯化胺等）↑0.3~3倍③氮化前钢件须调质处理（5）组织表层为白色ε（Fe2N）或γ’（Fe4N）相中间为暗黑色含氮共析体（α+γ’）心部为回火S2/2/202341Fe-N相图2/2/20234238CrMoAl钢氮化工艺曲线图2/2/202343（6）性能：硬度高（1000HV~1100HV），很高的耐磨性和热硬性表面压应力，↑疲劳强度温度低，零件变形小耐蚀性好（7）氮化用钢：35CrAlA、38CrMoAlA、38CrWVAlA等2/2/2023443.2.3碳氮共渗同时渗入碳氮——氰化（1）工艺（高温气体碳氮共渗工艺）煤油+氨气温度：830~850℃，保温1~2h，0.2~0.5mm淬火+低温回火（2）机械性能表面含氮M，耐磨性更好较高的压应力，更高疲劳强度、耐蚀性2/2/202345几种表面热处理和化学热处理的比较热处理方法表面淬火渗碳氮化碳氮共渗处理工艺表面加热淬火低温回火渗碳，淬火低温回火调质氮化碳氮共渗，淬火低温回火生产周期很短，几秒到几分钟长，约3h~9h很长，约20h~50h短，约1h~2h表层深度/mm0.5~7.00.5~2.00.3~0.50.2~0.5硬度/HRC55~5860~6